0 引言
厌氧消化是实现畜禽粪污资源化利用的有效手段,单级中温厌氧消化已被广泛应用于固体含量较低的畜禽粪污的处理。但对于固体含量较高的粪污,用传统单级厌氧消化工艺处理存在厌氧消化效率不高的问题,采用加水稀释的办法会增加沼液的处理量,影响沼气工程的经济性[1]。通过两个串联的反应器构成的两级厌氧消化提供了解决上述问题的方式。就生物分相的角度而言,以两相厌氧消化为代表的两级厌氧消化由于将产酸菌和产甲烷菌分别置于两个反应器中,不同菌群在各自优化的环境下发挥作用,提高了厌氧消化效率,正好克服了传统高固体单级厌氧消化的缺点,但存在动力学控制相分离较难的技术问题[2]。两相厌氧消化已广泛应用在餐厨垃圾[3]和污泥[4,5]的处理上。就温度分级的角度而言,两级厌氧消化常采用高温-中温两级厌氧、超高温-中温两级厌氧以及中温-中温两级厌氧等配置方式,第一级的高温和超高温有利于促进基质中有机物的水解和酸化,第二级的中温则有利于产甲烷的稳定运行。两级厌氧消化在餐厨垃圾[6,7]和污泥[8,9]等方面也有很多的研究。对易腐性餐厨垃圾而言,两相厌氧消化容易实现;对其他基质而言,额外加酸调节也能够实现稳定的两相厌氧消化,但会增加运行成本。然而,目前针对高固体粪便两级厌氧工艺的报道较少,关于畜禽粪污的两级厌氧消化多集中在猪粪废水[10]、牛粪废水[11]及基质共消化上[12,13,14],且多数研究的运行时间不足一年。单一粪污的两级厌氧消化工艺性能及相较于单级工艺的厌氧消化效率优势还需进行研究。
以固体浓度较高的猪粪为原料,采用3个全混式反应器组成了高温-中温两级厌氧消化工艺和中温单级厌氧消化工艺,通过近600 d的试验,探究猪粪两级厌氧消化的产气性能及厌氧消化效率。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验用的猪粪取自北京市昌平区某养殖场,总固体（total solid, TS）为 (31.9±0.6)%,挥发性固体（volatile solid, VS）为 (24.9±0.3)%。在作为进料使用前,猪粪用自来水稀释到TS约为10.0%,用多功能捣碎匀浆机（泉州五阆机械有限公司,JJ2BS型）在10 000 r/min下破碎匀浆30 s,处理后的猪粪置于4℃冷库中保存。接种污泥取自北京市高碑店污水处理厂的污泥中温厌氧消化池新鲜出泥,在对应温度下驯化一周后开展半连续试验。进料用的猪粪及接种污泥的理化性质如表1所示。
Table 1 Characteristics of the pig manure and the inoculums表1 猪粪及接种污泥的理化性质 |
| 原料 | TS / % | VS / % | pH | SCOD① / (g/L) | NH4+-N / (g/L) | TVFA② / (g/L) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 猪粪 | 10.0±0.6 | 7.7±0.6 | 6.40±0.38 | 27.2±9.2 | 1.5±0.4 | 11.6±4.9 |
| 接种污泥 | 9.5±0.3 | 3.9±0.1 | 8.39±0.19 | / | 2.0±0.0 | 1.5±0.4 |
①SCOD为溶解性化学需氧量（soluble chemical oxygen demand）;②TVFA为总挥发性脂肪酸（total volatile fatty acid）（以乙酸浓度计）。 |
1.2 试验装置
Table 2 Operation parameters of single-stage and two-stage anaerobic digestion表2 单级工艺及两级工艺运行参数 |
| 工艺 | 温度 / ℃ | 有效容积 / L | HRT / d | 日进料量 / mL | OLR① / [g/(L∙d)] | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 单级 | M37 | 37 | 4 | 30 | 133 | 2.6 |
| 两级 | T55 | 55 | 4 | 5 | 800 | 15.4 |
| M55-37 | 37 | 4 | 25 | 160 | 2.6 | |
①OLR为有机负荷（organic loading rate）（质量以挥发性固体计）。 |
Fig. 1 Schematic diagram of the three anaerobic digesters used in the test图1 试验装置示意图 |
1.3 理化分析方法
TS和VS的测定采用重量法[15];pH采用pH计（FiveEasy Plus FE28,瑞士梅特勒-托利多）测定;总化学需氧量（total chemical oxygen demand, TCOD）和溶解性化学需氧量（soluble chemical oxygen demand, SCOD）采用重铬酸钾法测定;总氨氮（total ammonia nitrogen, TAN）采用纳氏试剂法测定[16]。沼气成分（N2、CH4和CO2）采用气相色谱仪（GC-8A,日本岛津）测定,色谱柱为Porapak Q填充柱,载气为氢气（分压为0.38 MPa,流速为20 ~ 30 mL/min）,进样口、色谱柱和检测器温度分别为120℃、50℃和120℃,进样量为0.5 mL。沼气产量用湿式气体流量计（LML-1,北京金志业仪器设备有限责任公司）测定。挥发性脂肪酸（volatile fatty acid, VFA）采用气相色谱仪（GC-2010Plus,日本岛津）测定,色谱柱采用Rtx-wax 30 m × 0.25 mm × 0.25 μm毛细柱,载气为氮气（分压为0.4 MPa,流速40 mL/min）,进样口、色谱柱和火焰离子化检测器温度分别为230℃、60℃和250℃,进样量为0.1 μL。测得的TVFA浓度以乙酸浓度表示,单位为mg/L或g/L。
2 结果与讨论
2.1 中温单级厌氧消化运行性能
中温单级工艺在2.6 g/(L∙d) 的有机负荷下持续运行了近600 d,图2显示了单位VS的甲烷产率和甲烷含量。整个过程中,甲烷产率范围为0.163 ~ 0.464 L/g,处于0.200 ~ 0.300 L/g范围的值更加普遍,取40 d后为稳定期,平均甲烷产率为(0.245±0.039) L/g。据报道,猪粪厌氧消化的甲烷产率一般在0.2 ~ 0.4 L/g之间[17],本研究结果处于正常范围内,各个研究的进料猪粪性质和操作工艺等条件的差异造成了甲烷产率的不同。试验期间,甲烷含量在58.6% ~ 68.0%范围内波动,稳定期平均含量为 (63.8±2.2)%,与报道的猪粪沼气工程的甲烷含量（65%）相当[18]。另有研究报道猪粪中温（36℃）厌氧消化过程中,18 ~ 40 d的HRT下,甲烷含量为72% ~ 76%[19]。在有机废弃物组成基本不变的前提下,理论上厌氧消化产生沼气中的CH4和CO2的比例基本不变。但在实际的厌氧消化过程中,由于CH4和CO2在水中的溶解度以及有机物去除效果等因素会对甲烷含量产生影响[20]。
Fig. 2 Methane production performance of mesophilic single-stage anaerobic digestion图2 中温单级厌氧消化产甲烷性能 |
图3显示了中温单级厌氧消化沼液的pH及VFA、TAN浓度。整个过程中,pH保持在7.81左右,波动较小,反应器在该pH下具有良好的产甲烷性能。然而,VFA的波动较大,原因可能在于原料性质的波动,导致VFA呈现出不同的稳定状态。运行前期（100 d前）,反应器稳定期（40 ~ 100 d）TVFA平均浓度为 (432±127) mg/L,其中乙酸和丙酸浓度分别为 (174±57) mg/L和 (124±50) mg/L。运行后期（300 d后）,TVFA浓度在178 ~ 1 338 mg/L范围波动,平均值为 (627±329) mg/L,其中乙酸和丙酸浓度分别为 (209±117) mg/L、(144±55) mg/L。在300 ~ 550 d期间,VFA大体上呈下降趋势,对应的pH也呈现明显的下降趋势,这可能和氨氮浓度的变化有关。VFA浓度较高时,对应的氨氮浓度也较高,导致了对应的pH仍处于较高水平。整个运行期间,氨氮浓度低于文献报道的3 000 mg/L总氨氮抑制阈值[21,22]。总体而言,中温单级厌氧消化具有较好的运行性能。
Fig. 3 pH, VFA, and TAN of the digestate from the mesophilic single-stage anaerobic digestion图3 中温单级厌氧消化沼液pH、VFA、TAN |
2.2 高温-中温两级厌氧消化运行性能
整个运行阶段T55的沼气、甲烷产率及pH变化情况如图4。前100 d的稳定阶段（40 ~ 100 d）,高温反应器的沼气产率较低,仅为 (0.020±0.004) L/g。该阶段的CH4和CO2含量分别为 (37.1±1.2)%和 (49.6±2.0)%,此外N2浓度也比较高。由于甲烷含量低于50%,故该阶段的厌氧消化中占优势的是酸化反应[23]。该阶段的pH平均值为6.18±0.06,低于产甲烷菌受抑制的阈值（6.2）[24]。产酸菌的最佳pH范围为5.5 ~ 7.0[25],T55中的低pH条件有利于水解酸化菌的生长。这说明高温反应器实现了较好的酸化,与后续的中温厌氧消化罐组成的系统可看作是两相厌氧消化系统。然而,在随后的第101 ~ 215 d,pH先逐渐升高到7.36左右,维持了约20 d后又逐渐下降到6.28左右,并维持了约20 d。从第204 d起,pH在12 d的时间内逐渐升高到7.45,此后pH在7.22 ~ 7.73之间小幅波动,平均值为7.51±0.13。该反应器的pH条件有利于产甲烷菌的生长,沼气产率和甲烷产率分别为 (0.159±0.049) L/g和 (0.089±0.029) L/g。该阶段的CH4和CO2含量分别为 (55.6±3.3)%和 (42.2±3.0)%,N2的浓度低于3.0%。由于甲烷含量高于50%,故该阶段的厌氧消化中占优势的是甲烷化反应[23],与后续的中温厌氧消化罐组成的系统不再是两相厌氧消化系统。为方便后续讨论,根据两级厌氧消化是否具有两相特征,将整个试验运行阶段划分为前期的两级阶段I,也即两相阶段,和后期的两级阶段II。下文对这两个阶段的运行性能分别做了讨论。需要说明的是,整个试验过程中未改变运行条件,高温反应器运行性能的变化原因一方面可能是试验运行时间长,分批获取的猪粪性质可能存在季节性差异;另一方面,也可能是由于长时间的驯化作用,使产甲烷微生物适应了高温和短HRT的条件,能够发挥一定的产甲烷功能。就整个试验运行过程而言,高温反应器在前200余天处于非长期稳定状态,100 d内的两相阶段的稳定期只是一个暂时的状态,称之为过渡稳定期。
Fig. 4 Biogas, methane yield and the pH in the thermophilic reactor图4 高温反应器沼气、甲烷产率及pH |
试验开始时,高温反应器T55先于中温反应器M55-37启动,在第25 d正式开展两级厌氧消化工艺。图5显示了两级厌氧消化的产甲烷性能。在两相厌氧（两级厌氧I）阶段,60 ~ 100 d为稳定运行阶段。该阶段系统甲烷产率为0.314 L/g,中温产甲烷相贡献了绝大部分的甲烷生产,其平均甲烷含量为(64.9±1.6)%,而T55的甲烷产率在0.006 ~ 0.010 L/g范围波动,其甲烷含量变化范围为35.8% ~ 36.9%,平均含量为 (36.3±0.6)%。由于高温酸化相的甲烷含量低于40%,导致了两相系统的甲烷含量较低,为 (63.7±1.3)%。由于酸化相甲烷产率低,甲烷含量也低,因此,在实际工程中可以忽略酸化相的产气,避免酸化相和产甲烷相产气的混合而导致系统产甲烷低于产甲烷相。在随后的101 ~ 215 d期间,高温反应器先是产甲烷作用占优势,后是酸化作用占优势,该时期反应器的长期稳定性不够。在此之后,高温反应器才长时间维持着较好的产甲烷效果,是为两级阶段II,取300 ~ 575 d为该阶段的稳定运行阶段。此阶段高温反应器T55的产甲烷贡献明显提升,高温罐和中温罐的产甲烷率比率最高可达0.6。高温罐平均甲烷产率为0.090 L/g,中温罐平均甲烷产率为0.265 L/g。高温罐的甲烷含量变化范围为50.6% ~ 62.1%,平均值为 (55.9±3.2)%,相较于两相阶段的酸化相,其甲烷含量提高了54%。中温罐的甲烷含量变化范围为57.1% ~ 66.4%,平均值为 (62.9±2.9)%。在440 ~ 520 d,高温罐和中温罐的甲烷含量比较接近,说明高温罐具有较好的产甲烷效果,但由于其高达15.4 g/(L∙d)的负荷,导致了最终的甲烷产率在0.111 L/g左右。
Fig. 5 Methane production performance of two-stage anaerobic digestion图5 两级厌氧消化产甲烷性能 |
图6显示了两级厌氧消化的出料性质。在两相阶段（两级阶段I）,高温酸化相的SCOD维持在较高水平,变化范围为39.0 ~ 47.3 g/L,平均值为(42.9±2.6) g/L,比该阶段进料猪粪中的SCOD浓度提高了30%,说明猪粪中有较多的固体有机物在水解细菌水解酶的作用下溶解或水解在液相中。参考YIN等[26]对水解率的计算,得到高温酸化相的水解率为12%。同时,TVFA也维持在较高水平,变化范围为 21.4 ~ 24.0 g/L,平均为 (22.3±0.7) g/L,比该阶段进料猪粪中的TVFA浓度提高了72%。VFA主要包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等短链挥发性脂肪酸,由大分子有机物在水解酸化细菌的作用下转化得到。高温酸化相的乙酸浓度为 (7 918±280) mg/L,丙酸浓度为 (1 922±538) mg/L,丁酸浓度为 (3 408±545) mg/L,是含量最高的三种酸。将VFAs浓度通过系数转换为COD当量,记为CODVFAs,其与SCOD的浓度比值为0.56,表明水解酸化液中VFA所贡献的SCOD[27]为56%,其余的SCOD组成可能为溶解性蛋白质、可溶性糖和醇类等物质。中温产甲烷相的SCOD和TVFA浓度较低,分别为 (5 839±904) mg/L、(465±97) mg/L,VFA主要由乙酸、丙酸和丁酸组成,浓度分别为 (155±28)、(91±40) 和 (64±32) mg/L。氨氮是厌氧消化的中间产物,是猪粪中可生物降解的有机氮在水解过程中形成的,浓度过高会抑制产甲烷过程,从而导致厌氧消化性能和效率低下。高温酸化相稳定运行阶段的氨氮浓度为 (3 105±154) mg/L,超过了氨氮对厌氧消化的毒性阈值3 000 mg/L[28],对产甲烷菌造成了毒害作用,这也是酸化相甲烷产率低的重要原因。该阶段TAN浓度比进料猪粪提高了124%,表明有大量的蛋白质降解,从而提高了氨氮浓度。在随后的中温产甲烷相,氨氮浓度为 (2 710±113) mg/L,比酸化相低了13%。在鸡粪的两相厌氧消化中,也出现了类似的现象[29]。在厌氧消化中,氨氮含量的变化一方面是由于含氮有机物的水解生成了氨氮,从而导致其浓度增加;另一方面是由于微生物生长消耗了以氨氮为主的氮源,从而导致其浓度下降。本研究中,酸化相的高温条件有利于猪粪中蛋白质等含氮有机物的充分水解,水解液中含有大量溶解性的氨氮,进入产甲烷相后,由于稀释作用,产甲烷相的氨氮浓度略微提升;但存在一种可能,水解液中还残留有较难水解的蛋白质,进入产甲烷相后,水解产生的氨氮较少,而微生物消耗的氨氮量高于生成的氨氮量,导致产甲烷相的氨氮含量高于酸化相的氨氮含量。
Fig. 6 Properties of digestates from two-stage anaerobic digestion图6 两级厌氧消化出料性质 |
在随后的两级阶段II,高温罐的SCOD浓度为(16.7±4.1) g/L,低于此阶段的进料SCOD浓度 (20.6±6.5) g/L。TVFA浓度为 (7.0±1.7) g/L,低于进料中的 (9.2±3.8) g/L。将高温罐生成的甲烷折算为VFA,其实际产生的TVFA浓度仅为10.3 g/L;再将其折算回水解液中的SCOD,其实际产生的SCOD浓度仅为20.4 g/L,说明高温罐的水解酸化效果不太好。但由于后续中温罐良好的产甲烷性能,最终沼液中的SCOD浓度和TVFA浓度分别为 (4 132±637) mg/L和 (632±387) mg/L。两级阶段II期间,大部分时间中温罐氨氮浓度高于高温段,高温罐和中温罐的氨氮浓度为 (1 955±321) 和 (2 146±303) mg/L,说明高温罐未水解的蛋白质在中温罐被进一步降解,提高了氨氮浓度。
2.3 中温单级与高温-中温两级厌氧消化性能对比
高温-中温两级厌氧消化在前100 d内是两相厌氧,而在后期并非两相厌氧,故分为了两个阶段[两级阶段I（两相阶段）与两级阶段II]分别与对应时间段的单级厌氧消化进行了比较。为方便区分,将两级阶段I（两相阶段）对应的单级阶段称为单相阶段,两级阶段II对应的即为单级阶段。表3和表4总结了单相/单级厌氧与两级厌氧两个阶段的产气性能及出料参数对比情况。由表3可知,两级阶段I（两相阶段）期间,中温单相工艺的容积产沼气率为1.23 L/(L∙d),两相工艺中酸化相和产甲烷相的容积产沼气率分别为0.32 L/(L∙d)和1.56 L/(L∙d),而两相系统的容积产沼气率为1.35 L/(L∙d),比单相工艺提高了10%。单相工艺的甲烷含量和甲烷产率分别为65.4%和0.285 L/g,而两相系统的甲烷含量和甲烷产率分别为63.7%和0.314 L/g,虽然两相工艺的甲烷含量略低于单相工艺,但其甲烷产率提高了10%。仅考虑产甲烷相的甲烷产率,5 d的水解酸化处理使得甲烷产率相比于单相中温厌氧提升了24%。两级阶段II期间,中温单级工艺的容积产沼气率为0.92 L/(L∙d),两级系统中高温罐和中温罐的容积产沼气率分别为2.39 L/(L∙d) 和1.03 L/(L∙d),而两级系统的容积产沼气率为1.26 L/(L∙d),比单级工艺提高了37%。单级工艺的甲烷含量和甲烷产率分别为62.6%和0.247 L/g,而两级工艺的甲烷含量和甲烷产率分别为61.0%和0.294 L/g。两级系统的甲烷含量同样低于单级工艺,但其甲烷产率提高了19%。综上所述,两相系统和两级系统都起到了提升甲烷产率的作用,虽然两级阶段II的甲烷产率略低于两级阶段I（两相阶段）,但其相对于中温单级工艺,对甲烷产率的提升效果明显高于两相阶段。此外,不论是两相系统还是两级系统,系统的甲烷含量都低于对应阶段的单相/级系统,系统对甲烷产率的提升作用是通过提高沼气产量实现的。
Table 3 Comparison of gas production performance表3 产气性能对比 |
| 两级阶段 | 容积产沼气率 / [L/(L∙d)] | CH4 / % | CO2 / % | 甲烷产率 / (L/g) | |
|---|---|---|---|---|---|
| I（两相阶段） | M37 | 1.23±0.19 | 65.4±1.1 | 30.9±1.6 | 0.285±0.038 |
| T55 | 0.32±0.03 | 36.3±0.6 | 50.7±0.8 | 0.007±0.001 | |
| M55-37 | 1.56±0.15 | 64.9±1.6 | 32.5±1.9 | 0.353±0.036 | |
| 两相系统 | 1.35±0.13 | 63.7±1.3 | 33.4±1.5 | 0.314±0.028 | |
| II | M37 | 0.92±0.28 | 62.6±1.9 | 37.3±2.0 | 0.247±0.043 |
| T55 | 2.39±0.56 | 55.9±3.2 | 42.2±3.0 | 0.089±0.029 | |
| M55-37 | 1.03±0.18 | 62.9±2.9 | 37.0±2.9 | 0.265±0.035 | |
| 两级系统 | 1.26±0.19 | 61.0±1.8 | 38.4±1.9 | 0.294±0.030 | |
Table 4 Comparison of discharge parameters表4 系统出料参数对比 |
| 两级阶段 | TS / % | VS / % | TS去除率 / % | VS去除率 / % | pH | SCOD / (mg/L) | TAN / (mg/L) | TVFA / (mg/L) | 乙酸 / (mg/L) | 丙酸 / (mg/L) | 丁酸 / (mg/L) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I（两相阶段） | 单相系统 | 6.4±0.2 | 3.9±0.2 | 39.1±2.0 | 52.0±1.7 | 7.85±0.05 | 5 950±940 | 2 452±215 | 432±127 | 174±57 | 124±50 | 7±22 |
| 两相系统 | 5.2±0.3 | 3.3±0.2 | 51.0±2.3 | 60.2±2.0 | 7.89±0.05 | 5 839±904 | 2 710±113 | 465±97 | 155±28 | 91±40 | 64±32 | |
| II | 单级系统 | 7.5±0.4 | 5.0±0.3 | 22.8±6.1 | 33.1±7.4 | 7.74±0.10 | 3 967±94 | 1 986±299 | 627±329 | 209±117 | 144±55 | 12±19 |
| 两级系统 | 5.9±0.6 | 3.9±0.5 | 39.9±7.4 | 46.7±8.3 | 7.69±0.12 | 4 132±637 | 2 146±303 | 632±387 | 194±178 | 145±48 | 13±21 | |
由表4可知,两相阶段时,两相系统最终出料的TS和VS均低于单相系统,TS和VS去除率分别为51.0%和60.2%,分别比单相系统提高了30%和16%。两相工艺的有机物去除率优于单相工艺,这与两相工艺高于单相工艺的甲烷产量是一致的。单相和两相的出料pH比较接近,且处于正常产甲烷所需的pH范围。单相系统和两相系统的SCOD浓度均在6 000 mg/L左右,二者无显著性差异;TVFA含量均低于500 mg/L,无显著性差异;两相系统出料的TAN为2 710 mg/L,比单相系统出料高了11%。两级阶段II中,中温罐的出料TS和VS分别为5.9%和3.9%,皆低于该阶段单级系统的TS和VS,两级系统的TS和VS去除率比单级系统提高了75%和41%。单级工艺和两级工艺的出料pH也处于正常产甲烷所需范围内,有利于甲烷的生成。残留的SCOD浓度均在4 000 mg/L左右,且两级系统略高于单级系统。然而残留的VFA浓度非常接近,单级和两级系统的TVFA浓度分别为 (627±329) mg/L和 (632±387) mg/L,无显著性差异。两个系统的TAN仍具有显著性差异,两级系统的TAN浓度比单级系统高了8%。综上所述,两相系统和两级系统降低了沼液中的固体含量,但对溶解性物质如SCOD和VFA的减少作用与对应阶段的单相/级厌氧效果相差很小,且TAN反而略高于单相/级厌氧,但总体提高了有机物的去除率,表明两级厌氧相比于单级厌氧具有更好的处理效果。
3 结论
通过长期运行的猪粪两级厌氧消化及单级厌氧消化对比试验,可得出如下结论：
（1）两相厌氧消化工艺仅在长期运行的前100 d内顺利实现,后期高温反应器pH升高至7.51,与后续中温罐组成的不再是两相系统,这可能是原料性质差异及微生物驯化带来的结果。
（2）在前期的两相厌氧阶段,系统甲烷产率和有机物去除率比同阶段的单相厌氧工艺分别提高了10%和16%,但沼液中溶解性有机物的含量差异较小。
（3）在后期的两级厌氧阶段,系统甲烷产率和有机物去除率比同阶段的单级厌氧工艺分别提高了19%和41%,但沼液中溶解性有机物的含量差异较小。
（4）相比于单级工艺,两级工艺实现了更高的甲烷产率和有机物去除率。
